Определение параметров тепловизоров с пировидиконом

Лабораторная работа №3

Определение параметров тепловизоров с пировидиконом

Цель работы:

Ознакомление с основными параметрами тепловизоров  и методами их определения, приобретения навыков в работы с тепловизором на пировидеконе.

Теоретические сведения

К основным критериям оценки качества тепловизоров относится: пороговая разность температур . (NEDT – Noic Equivalent Temperature Difference), минимальная обнаруживаемая разность температур - , минимальная разрешаемая разность температур - , частотно контрастная характеристика -  ЧКХ, передаточная характеристика, угловое поле зрения [1,2,3,4,5].

Пороговая разность температур.

Пороговая разность температур – это такая разность температур двух стандартных имитаторов АЧТ, при которой разность потоковых значений сигналов тепловизора равно среднеквадратическому значению напряжения шунта на выход системы.

,

(1)

Применение этого параметра в качестве основного не всегда является корректным. В реальной ситуации сигнал от нагретого объекта обнаруживается на фоне шумов визуально – по изображению на экране ВКУ. При этом не учитывается, что различные типы шумов по разному воспринимаются человеческим глазом. Кроме того, превышение сигнала над шумом не регистрируется точно, а выбирается субъективно.

Величина  зависит от средней температуры Т объекта, поэтому более полной характеристикой температурного разрешения следует считать функцию (Т). однако на практике неудобно определять эту зависимость.

Минимальная обнаруживаемая разность температур

Минимальная обнаружимая разность температур – разность температур черного тела, необходимая наблюдателю для обнаружения квадратного объекта при неограниченном времени наблюдения заранее известном местоположении объекта.

Отличие данной характеристики от вышеприведенной в том, что она определяется с учетом субъективных качеств оператора. В данном случае подразумевается пространственное и временное интегрирование шумов изображения глазом оператора [6].

Минимальная разрешаемая разность температур

Более универсальной характеристикой тепловизоров является величина, определяющая температурную чувствительность тепловизора в зависимости от угловых размеров объекта - . Минимальная разрешаемая разность температур определяется как эквивалент АЧТ минимальная разность температур, при которой различаются отдельные штрихи тест-объекта – периодической решетке при заданном шаге последней. Для определения используют решетки, разность температур между штрихами которых меняется. Очевидно, что зависимость от шага решетки и определяется как функция пространственной частоты объекта.

Способность тепловизора различать размеры элементов температурно-градационной картины оценивается по угловому или линейному разрешению. Угловое разрешение определяется как предельный угловой размер полоски или щелевого промежутка, регистрируемого на фоне поверхности с постоянной заданной температурой. Угловое разрешение можно определить на основе частотно-контрастных характеристик как обратную величину полупериода граничной пространственной частоты на которой еще различается минимальный температурный контраст. Температурный контраст или перепад между полоской и фоном может варьироваться.

На основе углового разрешения может быть определено линейное разрешение, которое зависит от расстояния до объекта. Поэтому линейное разрешение целесообразно определять для минимального рабочего расстояния.

Частотно-контрастная характеристика

Модуль ОПФ(оптическая передаточная функция), представляющий собой амплитуду реакции системы на синусоидальное распределение, называется частотно-контрастной характеристикой (ЧКХ) или модуляционной передаточной функцией(МПФ), а аргумент МПФ, описывающий фазовый сдвиг пространственной частоты, вносимой системой – фазовой передаточной функцией (ФПФ):

,

(2)

Реальные оптические системы характеризируются реакцией на прямоугольную решетку с различным периодом, с различной постоянной частотой. ЧКХ при этом строится в виде зависимости относительного контраста от пространственного или углового периода. Степень сглаживания синусоидального распределения яркости сигнализирует отношение контраста к контрасту объекта: , а каждый из этих коэффициентов равен относительной разности амплитуды личности объекта или его изображения:

,

(3)

Для сглаживания, вносимого оптической системой, может быть использован критерий Рэлея пространственного разрешения двух светящихся точек с распределением интенсивности в виде функции. Реакция оптической системы на каждую точку может быть представлен в виде гауссовского распределения. По мере сближения точек при наложении гауссовских распределений разность уменьшается.

Суммарная ОПФ позволяет оценить пятно рассеивания оптической системы, форму и частотную характеристику приемника излучения, а также характеристики отдельных элементов.

Процесс свертки в тепловизормом приборе реализуется в направлении сканирования. Переменный сигнал яркости излучения преобразуется в а переменный электрический сигнал. Поэтому кроме оптической фильтрации в тепловизорных системах используется электрическая фильтрация. Электрические фильтры отличаются односторонне направленностью происходящих в них процессов. Электрические ил временные частоты (измеряемые в герцах) можно получить из пространственных частот (в обратных миллирадианах) в направлении сканирования, умножая пространственную частоту на отношение углового размера приемника излучения к времени элемента разложения.

Строго говоря, теоретическое положения, относящиеся к ОПФ, применимы к тепловизорным системам только в том случае, если:

1)  излучение воспринимается когерентно;

2)  обработка сигналов линейна;

3)  воспроизведение изображения представляет собой пространственно-инвариантный процесс;

4)  преобразование, осуществляемое системой, однозначно (в части, происходит без шумов).

Последние 3 условия, как правило, не выполняются. В тепловизорах тем не менее ОПФ удобна для характеристики качества изображения.

В заключение можно отметить, что ИК излучения при прохождении атмосферы кроме ослабления испытует рассеивание. При этом изображение. При этом изображение объекта размывается. Поэтому при оценке качества изображения следует учитывать ОПФ не только тепловизорной системы, но и атмосферы.

Передаточная характеристика

При лабораторных испытаниях тепловизоров снимают также передаточную характеристику. Для аналоговых тепловизоров – это зависимость перепада плотности полчернения термограммы от фиксированного перепада температуры протяженного источника излучения в конкретном режиме работы тепловизора. Для цифровых тепловизоров, у которых теплограмма может быть цветной или цифровой, под передаточной характеристикой понимают зависимость выходного сигнала от температуры протяженного АЧТ (А=F(Т)) для заданного режима работы тепловизора, определяемого значениями параметров термографирования (уровня отсчета  и диапазона измеряемых температур - ).  Аппаратно  добиваются линеаризации, стабильности и градуировки передаточной функции. Которая может быть линейно-кусочной или линейно-ступенчатой.

Измерение параметров тепловизоров с пировидиконом

Пороговая разность температур

Для измерения пороговой разности температур  (порога температурной чувствительности) в поле зрения тепловизора (рис. 1) располагают на одном уровне и в одной плоскости 2 кюветы с водой, имеющие перепад температуры в 5…10 раз превосходящий ожидаемую и на 5…10К выше температуры окружающей среды. Затем записывают термопрофиль через обе кюветы. Зная разность  температур между кюветами, пиковое значение напряжение сигнала (рис 2.), измеренное по термограмме, эффективное значение напряжения шума , также измеренное по термограмме, определяют  по формуле

,

(4)

Для тепловизоров с выводом изображения на экран видеоконтрольного устройства (ВКУ) термопрофиль можно наблюдать на экране осциллографа.

Минимально обнаружимая разность температур.